微量元素的基本概念及研究进展
哈尔滨医科大学公共卫生学院禹萍
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一、概述
20世纪70年代开始，微量元素在生命现象中的作用越来越引起科学家们的关注，环境中的微量元素、生物体中的微量元素与人类健康的关系，给科研人员提出了新的课题。由此可见，微量元素这门新型的科学是由多学科相互渗透的边缘科学。微量元素科学与化学、生物学、医药学、食品营养学、食品安全学、环境科学和地球化学等学科有着密切的联系，是当今科学界令人瞩目的领域，该领域发展对人类健康具有重要的意义。
从本世纪20年代开始许多不同学科的学者，从各自的专业领域参与了地球元素的分析，研究发现，地壳中的元素与人体内元素的平均含量分布规律是极为相似的。这一发现揭示了人体与地理环境之间的密切关系。说明人类在演变、进化过程中逐步适应自然。于是诸如“环境地质与人体健康”、“微量元素营养学”、“环境医学”、“地理医学”等研究领域应运而生。可见微量元素研究所涉及的学科的广泛性是目前任何一个边缘学科所不及的。
（幻灯4）这张图是人体与地壳中60余种微量元素含量的分布曲线。由图可见，地壳中的微量元素与人体血液中的微量元素含量趋势是极为相似的。你看这个趋势，如果是地壳中某一元素含量高，那么在人体中检出的含量就要高，像钾元素高，铬元素低，那么血液中的铬元素含量也是低的，但是趋势是一致的。我们以铁元素来为例说明一下，那地壳中铁的元素含量高，那我们在人体血液中检出的铁元素的含量也是高的。另外我们再看看，这个铅是对人体有害的元素，在某一地区如果检出来它的含量值高，那么在这一地区生活的居民，血液中铅的含量也要高，那将影响到这些居民的身心健康。
由此可见，微量元素与人类健康密切相关，在机体生命活动中发挥着极其重要的生理学功能，微量元素参与蛋白质结构，并通过与蛋白质和其他有机集团结合参与酶、激素和维生素等生物大分子的合成，影响人体的生长发育及健康状况。微量元素摄入的过量、缺乏或失衡都会不同程度地引起人体一系列病理改变并最终导致疾病。研究表明微量元素在抗病、防癌、延年益寿等方面都起着不可忽视的作用。
微量元素与健康这门课程我们分为五节来为大家讲授，这五节是，分别是微量元素的基本概念及研究进展，微量元素的生理功能及对人体健康的影响，微量元素常用检测方法及样品采集。我们再介绍一下微量元素当中的一种有害的重金属对食品的污染及来源，重金属对人体健康的危害。
二、微量元素的定义、分类、特点及相互作用
首先我们来讲一下微量元素的基本概念及研究进展。
我们先来学一下微量元素的定义与分类。微量元素是怎么定义的？微量元素通常是指含量小于体重的0.01%，每人每日需要量在100mg以下的元素，它包括像铁、铜、锌、锰、钼、钴、钒、镍、铬、锡、氟、碘、硒、硅、砷、硼、锶、锂、锗、铝、钡、铊、铅、镉、汞以及稀土元素等数十种。
（幻灯9）人体中化学元素的含量，我们来看看人体中化学元素的含量。那么在人体中氧的含量占的比例是最大的，其次就是碳，然后是氢，再就是氮。另外就是像矿物物质元素，像钙、磷、钾，这类的含量也是很高的。那么微量元素在整个人体中所，化学元素占很小的比例。那它虽然含量低，但对人体健康却起着重要的作用。
我们再来看看微量元素如何分类的。从不同的角度，微量元素有不同的分类方法。如果是根据微量元素对维持机体生命活动的作用来分类，那么微量元素分为必需微量元素和非必需微量元素。那么必需微量元素，是指具有明显营养作用与生理功能，对维持机体生长发育、生命活动及繁衍等必不可少的元素。到目前为止，得到公认的对人和哺乳动物必需的微量元素有14种，它们是铁、铜、锌、锰、铬、钼、钴、钒、镍、锡、氟、碘、硒、硅。
那我们来看看非必需微量元素。非必需微量元素，是指没有明显生理功能的微量元素，这些元素的生物学效应或许迄今为止还没有被人们认识，或者它们来自外环境的污染，比如说铅、镉、汞、铊等元素。非必需微量元素又可以进一步分为无毒非必需微量元素和有毒非必需元素，无毒非必需元素，如像锂、硼、铷、溴等，有毒的非必需微量元素，是指的铅、镉、汞、铊、铝、锑这些。
如果是根据微量元素的营养学作用和特征，和它的生理功能来分类，微量元素又分为必需微量元素，它是指在人体内构成细胞或体液的特定生理成分，具有明显生理作用，人体生理过程中必不可少，缺少了该元素所产生的特征性生化紊乱、病理改变以及疾病，补充了该元素就能纠正这些病理改变或者是治愈，这些元素我们称它是必需微量元素，像铁、铜、锌、锰、铬、钼、钴、钒、镍、锡、氟、碘、硒、硅。这些都是必需微量元素，这是根据微量元素的营养学作用来分类的。
那么它一类是必需微量元素，另一类就称为是可能必需微量元素，它指的是，具有有益生物学作用与预防、保健功效，又具有必需微量元素生物及生化特征的元素，比如像砷、锂、锶、硼。另外还有叫无毒的微量元素，它对人体虽然没有生理作用，但是它对人体的健康又不构成危害，它没有发现营养作用，又没有明显毒性，这样的元素我们归类为无毒的微量元素，如像钡、钛、铌、锆这类元素。另外还有一些元素是对人体有害的，称为有害有害微量元素，它没有营养作用，而且在体内具有细菌倾向和明显的毒害作用，这样的微量元素我们都归结为有害微量元素，比如说像铅、汞、镉、铊、铝、锑这类元素，是属于有害的微量元素。
必需微量元素和非必需微量元素的界限是相对的。即使是统一种微量元素，在低浓度的时候它是有益的，而在高浓度的时候可能产生毒害作用。那么随着科技的进步，研究工作的深入，检测手段的提高，将会发现一些“非必需的元素”或者是“有害的元素”具有一定的生物学作用，甚至可能成为必需的微量元素。其次，就是微量元素它有一个摄入量的问题，即使是必需微量元素，在人体内也有一个合适的浓度范围。人体微量元素的摄入超过了或者是不足都不利于人体的健康。
（幻灯15）微量元素它是有一定的安全范围的，那么微量元素在人体内的含量虽少，但对人体的需求量却有着一定的浓度范围，低于或高于相应的浓度范围都会出现营养紊乱，从而导致生理功能的异常。微量元素的生理剂量与中毒剂量范围是比较窄的。我们从这张度我们可以看出来，对于必需微量元素来讲，横坐标是指的摄入量，必需微量元素如果摄入量不足，那么对他正常生长和发育就要受到影响，只有摄入量达到一定的程度，对生长发育不影响。那这个量的范围是非常小的，但是如果我们对于这种必需微量元素摄入过多，它对人体健康就逐渐了毒害作用的，首先是有害作用，最后如果过高甚至引起死亡。它的安全范围很窄，这是微量元素的一个特征。那么对于非必需微量元素来讲，它量不足的时候，对生长发育没有影响，但是如果是含量高就要影响到健康，这是微量元素的安全范围。
那我们来看看微量元素有哪些特点？微量元素它的特点是在体内分布是极不均匀的，就是在体内不是说每种、每个部位微量元素含量都是一致的。另外，微量元素它具有二重性。如果一种微量元素在合适的量的情况下，对人体的健康是有益的，超出了这个量它就产生毒害作用，如果量不足，也影响健康，所以它是有双重性的。少了影响健康，多了也影响健康，既有益，又有有害的一面。另外微量元素特点是机体内它是不能合成的，必须要从膳食中摄取，这是它的一个特点。那么微量元素另外一个特点就是，微量元素的相互之间存在着协同作用和拮抗作用，这儿我们以后要介绍一下什么是微量元素的协同作用，什么是微量元素的拮抗作用。人体微量元素受体内平衡机制的调节和控制，这也是微量元素的一个特点。它的平衡打破也影响着健康，它必须在平衡状态下才能够健康生长。
（幻灯17）这是我们看到的人体内微量元素含量的分布图，它的分布是极不均匀的。比如说像血清中微量元素的含量是比较高的，有74种的微量元素可以检出来。那么在红细胞中只有37种微量元素可以检出来。那么在胸腺中仅能检出18种微量元素，所以这个可以看出来，人体内微量元素含量分布是不均匀的。
我们再来介绍人体微量元素的摄取。人体自身是不能合成微量元素的，微量元素是通过食物和水来补充人体的新陈代谢，每天所消耗的微量元素，以及每天排泄出的微量元素。微量元素在食物中的分布是很广的，一般都能满足机体的需求。但是如果在特殊的地理环境或其他特殊条件下，人体容易发生微量元素的缺乏，这个时候就需要适量的补充。比如说特殊地理环境，有些地理环境，缺少一种元素，那么我们就要靠人为来补充，如果不补充容易引发一些疾病。但是有些地区可能某一种元素含量又过高，那我们在生活中就要注意一点，控制它的摄入量。
那么人体微量元素出现缺乏了是由于哪些因素？一个是地理环境中各种元素的分布也是不均匀的，那么微量元素在人体内分布不均，那么在地球环境中它也是分布不均匀的。有的地区这种元素含量高，有的地区另一种微量元素含量高。所以在地球环境中地域不同，那么微量元素含量分布是不同的。这是引起微量元素缺乏一个原因，就是它有地域性。另外微量元素在食品加工过程中会造成很多微量元素的损失，这样也容易造成人体微量元素的缺乏。目前生活水平的提高，食品的就是加工过程非常的精致，那么微量元素损失就比较多，这也能造成微量元素的人体缺乏。另外摄入量不足，就是我们补充的不足，因为微量元素自身不能生成，只能靠外界摄入，如果是摄入不足可以产生微量元素缺乏。另外就是如果有不良的饮食习惯也容易造成微量元素的缺乏，像偏食引起微量元素缺乏。另外就是说生理上有特殊需求的人，微量元素也容易缺乏，像孕妇，因为孕妇微量元素需要量大，有胎儿的需求，所以容易引起微量元素的缺乏。
如果是膳食结构不合理，人体微量元素的平衡就会被打破，这样就容易引起一些疾病，将影响到身体健康。所以我们在日常生活中要注意膳食结构，就是各种饮食要互相搭配，多种饮食互相搭配。这样就避免引起各种微量元素的摄入量不足，或者是摄入量过高，打破了体内的微量元素平衡，从而影响健康。
机体内的各种元素之间是按照一定比例存在的，以维持各自的生理功能，如果比例平衡失调，疾病就会发生和发展。随着微量元素与人体健康研究的进一步深入，已发现代谢疾病、心脑血管疾病、肿瘤、地方病和体内许多微量元素的平衡失调有着重要的关系。
我们再讲一下微量元素的相互作用。人体内的各种微量元素并不仅单独的起着各自的生理作用，它们是在生物体内的生物高分子相互作用的同时，与其它的微量元素之间也具有相互的作用。微量元素之间的作用我们分为协同作用和拮抗作用。
看看微量元素的协同作用。由于某一种微量元素的存在，能够促进另一种微量元素的吸收，使该元素的有效水平增加，那么这种关系我们称为是元素之间的协同作用。比如说有协同作用的元素有铁和铜。铁与铜在机体内具有生理协同作用，缺铜了会使铁的吸收减少，铁不能进入血红蛋白分子结构中，使得铁的利用率要降低，铜具有协同生血的作用。当铁的供给充足但缺铜的时候，人体也容易发生贫血。这就是元素之间的互相协同作用，缺一不可。
那么我们再来看看微量元素的拮抗作用。由于某一种元素的存在抑制了另一种元素的吸收，这种关系我们叫做元素间的拮抗作用。例如：微量元素镉在生物体内可以把与蛋白质结合的必需微量元素锌置换出来，使锌失去了正常的生理功能，这种作用我们叫做拮抗作用。锌的存在，可以减弱镉的毒性。那这种拮抗作用是对人体有益的，因为镉是一种有毒的重金属微量元素。那么锌是人体必需的微量元素，如果锌在体内充足，它可以镉置换出来，减少镉的毒性，有拮抗作用，对人体起到一个有益的作用。那么有害金属元素常常有拮抗作用，有拮抗体内必需微量元素的作用。刚才我们介绍了锌与镉是锌把镉置换出来了，它就是有益的。但是有的时候，重金属里的有毒元素又把有益的元素也拮抗了，那这影响到人体健康了。那么有拮抗作用的元素有像锌和镉，锌和镉是有拮抗的，如果锌，锌，体内锌不足，镉的毒性就要强一些。另外镍和铜，锰和镁，就是这个拮抗作用的元素，钨和钼，镉和钙，还有钒和锰，那硒和汞、砷、镉都有拮抗作用。如果人体内的硒的含量充足了，不缺乏了，它就可以抑制一些贡和，可以减弱汞、砷、镉的毒性。因为汞、砷、镉它是属于一种有害的重金属，所以对人体都是有毒害作用的，如果是硒在体内含量是充足，就可以减弱这三种有毒元素的对人体的毒害作用。这是微量元素的拮抗作用。
那我们再来看看微量元素的平衡，人体微量元素是处在一个动态的平衡体系中的，当人体所有的元素含量都处在安全标准的一个范围内，所达到的平衡状态，我们称它是微量元素的平衡状态，当人体微量元素受到外界因素的影响，这种平衡状态偏离了安全标准值范围了，那么我们称它是微量元素的失衡。如果人体微量元素平衡打破，那微量元素失衡了，就容易引发一些疾病影响到健康。
（幻灯26）这是中国4种地区病的一个分布图。从这个图上我们可以看到，这个红的实心点和空心的是克山病容易发生的地区，实心和空心的区别就在于是重病区和轻病区，那么蓝色的那个就是实心点和空心点表示是大骨节病的发病区域。那么紫色的方块这一片，表示就是地区性甲状腺肿容易发生的地区。那么蓝色的是表示地区性氟中毒发生的地区。这是说微量元素与地区性有关系。那么某一种微量元素，像克山病和大骨节病都是缺锌、缺硒，容易引发克山病和大骨节病。在克山病和大骨节病发病地区的土壤、水、饮食都缺少硒元素。从这张图中我们可以看出，这个红颜色的，比如说硒含量低，缺硒地区，那么缺硒的和大骨节病和克山病分布有一定的趋势的，这个趋势是已知的。就说明是有一些微量元素具有地域性，那么地域性就影响了人体健康，就是发生了一些地方病。
三、微量元素的研究进展
那我们再来看看经过多年的研究，微量元素研究取得了哪些进展？人类对微量元素的认识经历了漫长的认识过程，随着研究的深入，微量元素研究已成为生命科学和现代医学的前沿学科。我们先来看看必需微量元素的发现是如何，人们是如何认识它的。人们对微量元素的研究是逐步深入的，铁是最早发现的必需微量元素，其次是碘，到60年代，人们已经认识了9种对动物和人是必需的微量元素。同时，对微量元素在生命过程中的意义、生理功能、代谢过程、缺乏症和中毒症等，有了较为详细的了解。从70天带开始，由于对微量元素的重视和检测方法的进步，锡、钒、氟、硅和镍这些元素相继被认识，认为是必需微量元素。
（幻灯28）我们看看这个高等动物和植物必需微量元素研究的历史。那么铁是人们认识的最早的一种元素，认为它对人体健康也是有益的，缺乏了影响健康。其次人们发现碘对人体健康也是有着比较重要的意义的。然后这是铜，因为铜促进铁的吸收，如果缺铜抑制铁的吸收，这是人们研究认识到的。逐渐我们从70年代开始对砷、镍这两种元素，就是早期都认为这两种是有害的元素，为人体是没有益的。那经过研究，人们认识到镍和砷它也是双重的作用对人体，它既有有益的一面，又有有害的一面，只要量掌握好了，就能对健康有益。
我们再来看看微量元素的生物学效应。人体内的微量元素虽然含量比较少，但在人体的新陈代谢、生理、生化反应能量转换等生物化学过程中所起的重要的作用。它们作为酶、激素、维生素、核酸的组成部分，保持着生命的代谢过程。这是微量元素的生物学效应。
那我们看看它有哪些生物学效应？首先它是构成酶和酶的激活剂，在酶的激活剂中都含有微量元素。人体的新陈代谢都有利于酶的催化，酶是一切生命活动和生化反应的物质基础。而酶的活性与微量元素是密切相关的。某些微量元素在酶系统中起着特异的活化中心的作用，某些金属离子作为激活剂影响酶的活性。失去了某些金属离子，酶的活性就会丧失或者是下降，如果获得了这些金属例子，酶的活力就会恢复的。所以说我们看到金属微量元素是对人体健康是如此重要的。
（幻灯31）这是一些金属酶和金属激活酶，这些酶类都含有很多的金属离子。那么如果是金属离子缺乏了，那酶的活性就会降低，就影响到人的健康。
人体内的化学变化几乎都是在酶的催化下进行的。酶的核心或者活性中心，含有各种微量元素，某些金属离子作为活性剂影响到酶的活性。人体的新陈代谢只有在这些酶的参与和催化下才能进行。脂肪代谢需要乳酸脱氢酶，那么这种酶的活性中心是锌元素。另外细胞能量转换的关键酶是三磷腺苷酶，那这种酶含有锌、铜、镁元素。所以我们看到这个微量元素在酶的结构中起到重要的作用。
我们再来看看微量元素它可以参加激素的合成，激素对机体的代谢、生长、发育、繁殖等起着重要的调节作用，是生命中的重要物质。微量元素影响激素的分泌及活性，因为某些微量元素是激素的成分和重要的活性部分，缺少这些微量元素，就不能合成这些激素。比如说像碘是甲状腺激素的重要成分之一，缺碘了则机体就不能合成甲状腺激素。
（幻灯34）在维生素中微量元素也起着特异的生理作用，比如像某些微量元素是维生素的一个成分和重要的活性部分，如缺少了这些微量元素，就不能合成相应的维生素，机体的生理功能就必然会受到影响。比如说像钴元素，钴元素它就是维生素B12的重要组成部分。这是维生素B12的一个结构图，那钴是它的一个中心，如果缺钴了，维生素B12合成就要受到困，就要受到影响，就要影响到人体的健康。所以我们看到，微量元素在人体的重要的作用。
那我们看看维生素E与微量元素硒在生物化学方面除了分别发挥各自的生理作用以外，还具有复杂的协同作用，两者均对对方的存在作为其发挥生理效应的一个先决条件。就是说维生素E和硒，只有它俩共存的时候，才能对它俩的作用，能够促进它俩作用的那个作用的发挥。这就是维生素在体内作用受到微量元素的影响。
另外微量元素的作用就是输送其它的元素。微量元素具有输送其他元素的一个作用，比如说像铁是血红蛋白的一个重要部分，而血红蛋白的功能是向细胞输送氧气，它把氧带到各个组织、器官和细胞去，供应代谢的需要。并将二氧化碳带出细胞。缺了铁就不能合成血红蛋白，那么氧也无法输送，组织细胞就不能进行新陈代谢，机体就不能生存，因为缺了氧不能生存。所以说微量元素它可以那个协同其它元素的运输。
微量元素还可以调节体液渗透压和酸碱平衡。微量元素在体液内与钾、钠、钙、镁等离子且协同作用，起到调节渗透压和体内酸碱度的一个作用，保持人体的生理功能的正常进行。
另外微量元素它影响到核酸的代谢，这也是通过科学研究证明的。核酸中含有丰富的铬、铁、锌、锰、铜、镍等微量元素，这些微量元素影响核酸的代谢。核酸是遗传信息的携带者。因此，微量元素在遗传中起着重要的作用。人体的生长、细胞的繁殖，需要遗传密码的携带者，那就是脱氧核糖核酸，也就是DNA，和核糖核酸，也就是RNA。这些遗传密码的很多关键部位含有锌、铜、锰等元素。可见微量元素影响到核酸的代谢，那么也影响到人体的健康。
近期的研究结果也表明，微量元素具有防癌和抗癌的作用。人体某些微量元素缺乏会引起免疫功能的损害。有些微量元素具有一定的防癌、抗癌的作用，比如像硒元素、铁元素、碘元素、钼元素，对癌症具有拮抗作用。像硒在抗癌作用上研究是比较多的，而研究表明肿瘤的发生与硒的摄取量有关，硒的摄取量不足的时候，肿瘤发生的危险性就增加。如果缺乏铁元素与胃癌和食道癌也相关，恶性的贫血有诱发胃癌的危险性，所以铁对胃癌的影响是有关。碘大家都比较清楚了，它与甲状腺有关，就是甲状腺癌。如果是缺碘，与甲状腺的肿瘤的发病有着密切的关系。另外有一种钼，钼的缺乏对食道癌的发生有影响。
我们再来看看微量元素与地方病的发生。因为地方病与地域性有关，我们说了微量元素它也有地域性，所以微量元素的缺乏或过剩要引发一些地方病。那么地壳在形成时，土壤的组成因地区差异而有所不同，各地区微量元素的种类和它的含量会因为地域的差别而不同。那么微量元素缺乏的地区，食物链就不完善，缺乏的微量元素就不能够通过食物链进入人体而被吸收，那么人体就会出现微量元素的缺乏症。某一地区，如果土壤中缺乏了某一种元素，那人体必然要缺乏这种元素。因为我们吃的食物、饮的水都是通过这片土地来获得的。那么这个土壤中缺乏了，那么水中缺乏，那农作物也要缺乏，所以就影响到人体内的含量。据不完全统计，全球高砷地下水的分布在美国西部地区、智利、匈牙利、中国、孟加拉国等22个国家和地区，其中亚洲的孟加拉国、印度和中国是比较严重的。就是这个砷影响着健康。
目前研究发现微量元素与心脑血管疾病是有关系的。另外就是说微量元素与癌症的发生也有关系。那么微量元素与糖尿病的关系也很重要。目前研究上各元素与糖尿病的发生有一定影响。那么研究也表明了，微量元素与神经系统疾病也有一定的关系。那么微量元素和眼部疾病，像白内障的发生也有一些影响。那么元素平衡与衰老也有关系。微量元素研究，发现了与很多疾病的发生发展有一定的影响。
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